Thème A: Observer TP A1 : Détecteurs d`ondes

T6S-2012
Thème A:
Observer
Objectifs :
TP A1 :
Détecteurs d’ondes
Extraire et exploiter des informations sur : - des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ;
- un dispositif de détection.
Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection.
1. Comment une télécommande communique -t-elle avec un
téléviseur ?
Devenu un outil quotidien passant inaperçu, les télécommandes occupent nos tables et se perdent entre les coussins de nos fauteuils.
Que ce soit pour allumer la télévision, couper le son de la chaîne stéréo ou régler l'éclairage la télécommande est là et tellement bien
ancrée dans notre vie, qu'on se pose rarement la question : " Mais comment fonctionne-t-elle ? ".
1.1. Quelques informations :
Document 1 : La lumière
La lumière est une onde électromagnétique.
A chaque onde, on associe une longueur d'onde notée  et mesurée en mètres.
Lorsqu'un rayonnement est composé de plusieurs ondes électromagnétiques, on
dit qu'il est polychromatique. Lorsqu'il y a une seule onde électromagnétique,
donc une seule longueur d'onde, on parle d'onde monochromatique.
Document 2 : Spectre électromagnétique
Document 3 : La télécommande
2.
En observant la télécommande (ou en ouvrant son boîtier si nécessaire), on voit le petit élément
d'électronique photographiée ci-contre. C'est une diode électroluminescente. Un matériau dit semiconducteur d'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) qui, sous une tension de 1,6V, transforme
un signal électrique en une onde électromagnétique monochromatique de 0,940 m.
DOC 4 : Filmer une télécommande
On filme une télécommande avec une WebCam et on appuie sur quelques touches pour
montrer l’effet produit sur l’image de la télécommande.
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Questions :
1) Qu’observe-t-on, à l’écran, lorsque l’on appuie sur une touche ?
2) Fait-on la même observation lorsqu’on regarde la télécommande à l’œil nu ?
3) À quel type d’onde est sensible le capteur présent dans une WebCam ? Quelle
observation (quotidienne) le prouve ?
4) Pourquoi, à votre avis, ce capteur permet-il de montrer quelque chose que
notre œil ne peut pas voir ?
5) Conclure sur la nature des ondes émises par la télécommande.
1.2. Etude du signal transmit:
Photodiode
Vers l’entrée analogique EA0
A
K
E=5V
R =100 kΩ
(issue du boîtier sysam-sp5)
Photodiode P.D. : c’est une diode sensible à un rayonnement, dans notre cas, un rayonnement infrarouge. Elle a
pour propriété de conduire le courant en inverse lorsqu’elle est éclairée. Ce courant est très faible (quelques
µA).
Faire vérifier le montage avant de brancher sysam !!!
1. Quel type de conversion effectue la photodiode ?
 Régler les paramètres d’acquisition :
entrée EA0 dans la fenêtre 1 Calibre ± 5 V
acquisition : N = 8192 points et la durée Totale de 256 mS
 Régler le déclenchement :
source EA0
Seuil 0,1 V
sens montant.
 Lancer l’acquisition.
 Placer la télécommande très proche de la photodiode (côté arrondit) et maintenir appuyer sur la
touche veille/ Power .
Questions :
1. A l’intérieur d’une salve, le signal reçu est temporellement périodique. Mesurer sa
période, en déduire sa fréquence.
2. Vu l’ordre de grandeur de la fréquence obtenue, peut-il s’agir de la fréquence des
infrarouges émises par la télécommande ? Pourquoi ? Si non, que représente
physiquement cette fréquence ?(on utilisera la formule
)
3. Le signal est-il arrêté par une faible épaisseur de plastique ? Justifier.
4. Proposer une expérience qui permette de déterminer si un feuille de papier arrête le
signal.
5. Faire de même avec de l’eau.
 Aller sur le site http://www.iram-institute.org/
1. Que signifie IRAM
2. Dans quel domaine de longueur d’onde observent-ils ?
3. Pourquoi ont-ils choisi Bure ?
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2. Barrette ccd : lecteur de code barre
Du point de vue électronique, un capteur photosensible CCD, CMOS ou Fovéon convertit le rayonnement (les photons) en
électricité grâce à des photodiodes. On appelle communément ces cellules photosensibles des pixels (de l'anglais "picture
elements", éléments d'image) mais le terme est trompeur car il caractérise en fait les constituants de l'image résultante (celle d'un
écran ou d'un tirage sur papier par exemple). Nous continuerons toutefois à l'utiliser car il est entré dans le langage courant.
Le spectre de sensibilité de ce capteur dépasse largement le spectre visible et s'étend généralement de 200 à 1200 nm ainsi que
nous l'expliquerons dans l'article consacré à la sensibilité des APN aux rayonnements IR et UV.
La photodiode est un semiconducteur constitué d'une jonction P-N (positive et négative) qui convertit les photons bombardant la
jonction en une proportion équivalente d'électrons.
La quantité de charges négatives ainsi accumulée doit ensuite être mesurée. Dans un capteur CCD la charge de chaque photodiode
est transférée vers une ou plusieurs broches de sortie mais généralement une seule broche située dans un coin du CCD, derrière
lequel le signal est converti en tension, bufferisé et transmis au système comme n'importe quel signal analogique. Une fois lu et
mesuré, le signal est amplifié puis converti en signal numérique. Il peut alors être manipulé par le processeur d'image pour
ensuite être enregistré.
2.1. Mode d’emploi d’une barrette CCD :
Extrait du mode d’emploi d’une barrette
ccd :
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1.
2.
3.
4.
5.
6.
Combien de pixels possède la barrette CCD ?
Quelle est la taille d’un pixel ?
Comment relier le chronogramme de sortie du CCD et la position du groupe de pixels éclairés ?
Quelle est la résolution de la barrette CCD ?
Quelle est la précision Δ = ………..
Calculer l’incertitude
liée à la résolution de la barrette CCD.
2.2. Application à la lecture d’un code barre
Dispositif expérimental (dans le noir):
Code barre éclairé
(diaphragme)
Chaque barre fait
44 cm
Lentille f= +22cm
44 cm
barette CCD
4,0 mm de largeur (valeur référence)
 On éclaire l’objet de manière indirecte pour limiter autant que possible le rayonnement de la
source vers le capteur.
 On ajuste la position de la lentille pour créer une image nette sur la barrette.
 Régler les paramètres : EA0 ± 5V
2086 pts
6,26 ms
(synchroniser sur la voie EA1 -0.5V descendant)
 on réalise l’acquisition du signal temporel.
Etablir le lien entre la position spatiale des raies blanches projetées sur le capteur et la réponse
temporelle du signal électrique.
 Dans la feuille de calcul, taper x = ……………….
 Dans la fenêtre 2, tracer EA0 en fonction de x
 A l’aide du curseur, mesurer la largeur d’une barre L = …………...
1. Noter la largeur L = …. Et la comparer a la valeur référence de 4,0 mm.
On calculera
2. Estimer L’incertitude
sur la mesure d’une position, et la comparer à
.
Dans cette expérience, l’incertitude de mesure est limitée essentiellement par l’appréciation
de la position du minimum d’intensité (la précision liée à la taille des pixels de la CCD,
14 µm, est en général négligeable).
3. Comme on doit repérer deux minima (un de chaque côté du max) pour mesurer l, on multiplie
cette incertitude par
:
Exprimer correctement le résultat sous la forme L = l ± U(L) (l est la moyenne des résultats
Donc l=L si il y a une seule mesure)
4. Calculer l’incertitude relative et la comparer à r.
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Correction :
x=2086/6.52E-3*t*14E-6
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2.1. Mode d’emploi d’une barrette CCD :
1. La barrette CCD possède 2048 +38 = 2086 pixels
2. La taille d’un pixel est 14 µm
3.
m
4. La résolution de la barrette CCD est de 14 µm .
5. la précision Δ = 7 µm
6.
8.1 µm
2.2. Application à la lecture d’un code barre
 A l’aide du curseur, mesurer la largeur d’une barre L = 14,6 -10.8 =3,8 mm
5. L = 3,8 mm est proche de la valeur référence de 4,0 mm.
On calculera
6. J’estime
=0.05=5%
sur >>
.
Dans cette expérience, l’incertitude de mesure est limitée essentiellement par l’appréciation
de la position du minimum d’intensité (la précision liée à la taille des pixels de la CCD,
14 µm, est en général négligeable).
7. Comme on doit repérer deux minima (un de chaque côté du max) pour mesurer l, on multiplie
cette incertitude par
:
Exprimer correctement le résultat sous la forme L = 3,8 ± 0,4 mm
8. L’incertitude relative
> r.
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